(57)【要約】【課題】  燃料噴射器構造の改良を提供する。【解決手段】  燃料噴射器は、空気を受け入れる入口と、混合気を放出する出口と、をそれぞれ備える複数の流路を画成する第１の手段（３４Ａ〜３４Ｃ）を有する。ベーン（３６）の１つまたは複数の列が、関連する１つまたは複数の流路において旋回を与えるようにそれぞれ配置される。第２の手段（４４Ａ〜４４Ｄ，４６）が、空気に燃料を投入するために提供される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射器の軸を中心に同軸に設けられるとともに、空気を受け入れる入口と混合気を放出する出口とを備えるガス流路をそれぞれ画成する複数の実質的に環状の通路と、
関連する前記通路にそれぞれ設けられた複数のベーン列と、
空気に燃料を投入する複数の燃料流れと、を有することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記列のうちの第１の列のベーンは、第１の流れを提供するように方向づけられており、
前記列のうちの第１の列の内側の第２の列のベーンは、第１の流れと同じサインの第２の流れを提供するように方向づけられていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
第１の列の各々のベーンは、同じ第１の相対的方向に方向づけられており、
第２の列の各々のベーンは、同じ第２の相対的方向に方向づけられていることを特徴とする請求項２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
第１の列と第２の列との間に第３の列をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
第１の燃焼領域と、
第１の燃焼領域の内側でかつ該第１の燃焼領域よりも希薄な第２の燃焼領域と、
第２の燃焼領域の内側でかつ該第２の燃焼領域よりも濃厚な第３の燃焼領域と、を提供するように動作することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
第１の燃焼領域、第２の燃焼領域、および第３の燃焼領域は、理論値よりも低いことを特徴とする請求項５記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
ガスタービンエンジンの燃焼器とともに使用されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記列の少なくとも第１の列および第２の列には、少なくとも１０個のベーンが含まれることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項９】
請求項１の燃料噴射装置の設計方法であって、
１つまたは複数のエミッションレベル、および１つまたは複数の圧力変動レベルの少なくとも１つの目標レベルを提供するために、前記列のうちの第１の列および第２の列におけるベーンの方向を選択することを含むことを特徴とする燃料噴射装置の設計方法。
【請求項１０】
前記１つまたは複数のエミッションレベル、および前記１つまたは複数の圧力変動レベルの両方の目標レベルを提供するために、第１の列および第２の列のベーンの方向を選択することを特徴とする請求項９記載の燃料噴射装置の設計方法。
【請求項１１】
前記選択は、１つまたは複数の動作条件における１つまたは複数の通路の燃空比を考慮して、またはこれと組み合わせて行われることを特徴とする請求項９記載の燃料噴射装置の設計方法。
【請求項１２】
前記選択は、１つまたは複数の高温領域による１つまたは複数の低温領域の目標安定化を達成するように行われることを特徴とする請求項１１記載の燃料噴射装置の設計方法。
【請求項１３】
前記エミッションレベルは、１つまたは複数の出力レベルにおけるＵＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘのレベルを含むことを特徴とする請求項９記載の燃料噴射装置の設計方法。
【請求項１４】
空気を受け入れる入口と混合気を放出する出口とを備える複数の流路を画成する第１の手段と、
関連する１つまたは複数の流路において旋回を与えるようにそれぞれ位置決めされた１つまたは複数のベーン列と、
燃料を空気に投入する第２の手段と、を有することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項１５】
前記列のうちの第１の列のベーンは、第１の流れを提供するように方向づけられており、
前記列のうちの第１の列の内側の第２の列のベーンは、第１の流れと同じサインの第２の流れを提供するように方向づけられていることを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項１６】
前記列を複数含むことを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項１７】
少なくとも２つの前記流路が、前記燃焼噴射装置の軸をそれぞれ実質的に囲んでいることを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項１８】
少なくとも２つの前記流路が、それぞれ実質的に環状であることを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項１９】
少なくとも２つの前記流路が、それぞれ互いに実質的に同心状であることを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項２０】
第１の燃焼領域と、
第１の燃焼領域の内側でかつ該第１の燃焼領域よりも低温の第２の燃焼領域と、
第２の燃焼領域の内側でかつ該第２の燃焼領域よりも高温の第３の燃焼領域と、を提供するように動作することを特徴とする請求項１４記載の燃料噴射装置。
【請求項２１】
第１の燃焼領域、第２の燃焼領域、および第３の燃焼領域は、理論値よりも低いことを特徴とする請求項２０記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射器に関し、特にガスタービンエンジン用のマルチポイント式燃料／空気噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼技術分野は、かなり発展している。特許文献１は、ガスタービンエンジン用の例示的なマルチポイント式燃料／空気噴射器の構造および動作パラメータを開示している。特許文献１の例示的な噴射器は、各々のノズル群の燃空比を個別に制御することができる燃料／空気ノズルの群を含む。このような制御は、所望の燃焼パラメータを提供するために使用可能である。
【特許文献１】米国特許出願第１０／２６０３１１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
それでもなお、燃料噴射器構造の改良が引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態は、複数の実質的に環状の通路を有する燃料噴射器を含む。これらの通路は、噴射器の軸を中心に同軸に設けられている。各々の通路は、空気を受け入れる入口と混合気を放出する出口とを備えるガス流路をそれぞれ画成する。複数のベーン列が設けられる。各々のベーン列は、関連する通路にそれぞれ配置される。複数の燃料流れが、空気に燃料を投入する。
【０００５】
種々の実施例では、上記の列のうちの第１の列のベーンは、第１の流れを提供するように方向づけることができる。上記の列のうちの第１の列の内側の第２の列のベーンは、第１の流れと同じサインの第２の流れを提供するように方向づけることができる。第１の列と第２の列との間に第３の列を設けてもよい。燃料噴射装置は、第１の燃焼領域と、第１の燃焼領域の内側でかつ該第１の燃焼領域よりも希薄な第２の燃焼領域と、第２の燃焼領域の内側でかつ該第２の燃焼領域よりも濃厚な第３の燃焼領域と、を提供するように動作可能である。第１の燃焼領域、第２の燃焼領域、および第３の燃焼領域は、理論値よりも低くてもよい。燃料噴射装置は、ガスタービンエンジンの燃焼器とともに使用可能である。上記の列の少なくとも第１の列および第２の列には、少なくとも１０個のベーンが含まれうる。
【０００６】
本発明の他の形態は、上記の燃料噴射装置の設計方法を含む。第１の列および第２の列におけるベーンの方向が、エミッションレベルおよび圧力変動レベルの少なくとも１つの目標レベルを提供するために選択される。種々の実施例では、第１の列および第２の列のベーンの方向は、エミッションレベルおよび圧力変動レベルの両方の目標レベルを提供するために選択可能である。選択は、１つまたは複数の動作条件における１つまたは複数の通路の燃空比を考慮して、またはこれと組み合わせて行われる。選択は、１つまたは複数の高温領域による１つまたは複数の低温領域の目標安定化を達成するように行われる。エミッションレベルは、１つまたは複数の出力レベルにおけるＵＨＣ、ＣＯ、およびＮＯｘのレベルを含む。
【０００７】
本発明のまた他の形態は、複数の流路を画成する第１の手段を有する燃料噴射装置を含む。各々の流路は、空気を受け入れる入口と混合気を放出する出口とを備える。１つまたは複数のベーン列は、関連する１つまたは複数の流路において旋回を与えるようにそれぞれ位置決めされる。第２の手段が、燃料を空気に投入する。
【０００８】
種々の実施例では、第１の列のベーンは、第１の流れを提供するように方向づけることができる。第１の列の内側の第２の列のベーンは、同じサインの第２の流れを提供するように方向づけることができる。燃料噴射装置は、第１の燃焼領域と、第１の燃焼領域の内側でかつ該第１の燃焼領域よりも低温の第２の燃焼領域と、第２の燃焼領域の内側でかつ該第２の燃焼領域よりも高温の第３の燃焼領域と、を提供するように動作可能である。第１の燃焼領域、第２の燃焼領域、および第３の燃焼領域は、理論値よりも低くてもよい。
【０００９】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の実施形態に開示されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項により明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、（例えば、発電に使用される産業ガスタービンエンジンである）ガスタービンエンジン用の燃焼器２０を示している。燃焼器２０は、内部２３を囲む壁構造体２２を有し、この壁構造体２２は、エンジンの圧縮機セクションから空気を受け入れる上流の入口２４からタービンセクションに燃焼ガスを放出する下流の出口２５まで延在する。燃焼器２０は、入口２４の近傍において、燃焼器２０の内部に混合気を導入するために圧縮機から受け入れた空気に燃料を投入する噴射器２６を含む。点火器２７が、混合気に点火するために配置される。
【００１１】
噴射器２６は、上流端部３０から下流端部３１まで延在する本体２８を含み、これらの端部の間に延びる複数の通路が関連する燃料／空気ノズルを構成する。燃料は、上流端部３０で本体に取り付けられたマニホルド３２によって本体２８に供給可能であり、このマニホルドは、エンジンコア流路の外側から貫通するレッグ部３３内の１つまたは複数の燃料管路を通して供給を受ける。空気は、上流からマニホルドを通過することができる。
【００１２】
図２は、中心軸５００と、単一のセンタボディ部分３５を中心とする同心状の円形リングとして形成されるとともにマニホルドを通る関連する空気通路と整列した通路３４Ａ〜３４Ｃと、を有する本体２８を示している。中央通路を設けることもできる。各々の通路は、ベーン３６の周方向の列を含み、各々のベーンは、前縁３８から後縁３９まで延在するとともに、正圧面４０と負圧面４１とを有する（図４参照）。例示的なベーンは、翼弦が長手方向に対して角度θで角度づけられた状態で実質的に径方向に延在する。通路およびベーンの他の構成も可能である。各々の通路のベーンは、通路の間で翼幅、翼弦長、形状、角度などが異なってもよい。
【００１３】
図３は、マニホルド３２および／またはその上流から本体２８にそれぞれ流入する空気および燃料の流れ２００Ａ〜２００Ｃ，２０２Ａ〜２０２Ｄを示している。空気流れは、実質的に環状であり、上流面３０に形成された関連する通路３４Ａ〜３４Ｃの入口に流入する。燃料流れは、通路３４Ａ〜３４Ｃの内側および／または外側の１つまたは複数のプレナム４４Ａ〜４４Ｄに流入可能である。燃料は、隣接するプレナムから通路３４Ａ〜３４Ｃへの燃料入口を形成する少なくとも部分的に径方向の出口通路４６を通して通路内に流出する。通路内では、燃料が空気と混合されて混合気の流れ２０４Ａ〜２０４Ｃとして放出される。他の燃料供給構成も可能である。
【００１４】
ベーンは、環状の燃料／空気流れ２０４Ａ〜２０４Ｃに軸５００を中心とする旋回を与えるように機能する。ベーン構成および角度θは、１つまたは複数の所望の動作条件における所望の流れ特性を達成するように選択可能である。角度は、同じサイン（ｓｉｇｎ）または（例えば、逆旋回効果を生じさせるために）逆のサインを有してもよい。また、角度は、等しい大きさまたは異なる大きさとすることができる。例示的な角度の大きさは、６０°以下であり、より狭くは１０°〜５０°、特に２０°〜４５°である。異なる旋回の大きさに加えて、通路３４Ａ〜３４Ｃは、異なる全長を有することができる。いくつかの通路は、（例えば、穿孔された通路の環状の列などの）他の構成に代えることができる。種々の動作段階において、各々の通路に（例えば、特許文献１に開示されているように）異なる燃料供給を与えることができる。通路の旋回の大きさ、径方向位置、および全長などの要素は、１つまたは複数の動作条件において有利な性能を提供するために利用可能な燃空比を考慮して最適化することができる。
【００１５】
例示的な反復最適化プロセスは、既存の噴射器の再設計において実行可能である。要素は、反復して変更することができる。各々の反復プロセスにおいて、関連する動作条件を設定するために燃空比の組合せを変更することができる。これらの動作条件において（効率、エミッション、および安定性などの）性能パラメータが測定可能である。所望の性能に関連する構造および動作パラメータを求めることができ、この構造を再設計噴射器構造として選択するとともに、動作パラメータを潜在的に利用して制御装置を構成することができる。最適化には、適切に重み付けした（例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、および未燃炭化水素［ＵＨＣ］などの）エミッションパラメータや（例えば、圧力変動レベルなどの）他の性能特性を含む性能指数を使用することができ、これらの測定基準に基づいて最も良好な（または少なくとも許容される）総合的な性能を提供する最適化された構成が得られる。自由度は、燃料ステージング計画（すなわち、所定の固定された総燃料流れにおいて、各々の通路にどれぐらいの燃料が通過するか）に制限されるか、各々の通路の旋回角度または各々の通路の相対的な最大流量に基づく各々の通路に関連する相対的な空気流量を含むように拡大することができる。前者は、噴射器の製造後に使用可能で、燃焼器を最適な動作点に調整するために使用可能な技術である。後者の技術は、最終的な装置を製造する前に適切に使用される。
【００１６】
燃料供給は、異なる温度の領域を形成するために使用可能である。（例えば、火炎温度が）比較的低温の領域は、理論値外の混合気に関連する。比較的高温の領域は、理論値により近い。低温領域は、安定性を欠く傾向がある。比較的高温の領域を比較的低温の領域に隣接して設けると、低温の領域を安定化させることができる。例示的な動作では、異なる通路に異なる燃空比を用いた場合に、噴射器の下流で例示的な３つの環状燃焼領域が形成されうる。これらの燃焼領域は、希薄でかつ比較的高温の外側領域および内側領域と、さらに希薄でかつ比較的低温の中間領域である。外側領域および内側領域は安定性を提供し、中間領域は低出力設定（または範囲）において総燃料流れを減少させる。ＮＯｘの発生は高温と関連するので、低温の中間領域におけるＮＯｘは比較的低くなる。総合的に希薄な化学的性質および良好な安定性を有することで、所望の有利な低レベルのＵＨＣおよびＣＯを達成することができる。中間領域の当量比の増加／減少は、所望の安定性および低エミッションを維持しながらエンジン出力を増加／減少させるように機能しうる。
【００１７】
例示的な構成では、ベーンは、外側通路３４Ａおよび内側通路３４Ｃが希薄な状態（例えば、０．４〜０．７付近の当量比）で動作し、中間通路３４Ｂがさらに希薄でかつ低温の状態で動作するときに動作を可能とするように構成されている。これにより、噴射器の下流で関連する３つの環状燃焼領域が形成されうる。これらの燃焼領域は、希薄な外側領域および内側領域と、さらに希薄な中間領域である。外側領域および内側領域は安定性を提供し、中間領域は低出力設定において総燃料流れを減少させるとともに、ＵＨＣおよびＣＯの所望の有利な低レベルを維持する。このような例示的な３領域動作では、異なる燃空比で動作する少なくとも３つの通路が含まれうる。個々に燃料供給を受ける通路が（中央ノズルがあればこれを数に入れて）３つより多い場合には、異なる混合気は３つの領域の空間分布の変更を容易にするか、（例えば、５領域装置を形成する中間の濃厚領域内の希薄なトラフなどの）さらに複雑な分布を容易にする。２領域動作も可能である。
【００１８】
上述の例では、ノズルから放出される化学的性質が総合的に希薄であるが、他の実施例は総合的に濃厚な化学的性質を有しうる。所謂濃厚−クエンチ−希薄動作は、希薄な燃焼を発生させるために下流で追加の空気を導入する。このような動作では、ノズルから放出される中間領域は理論値よりも十分に高くかつ低温とすることができる。内側領域および外側領域は、中間領域を安定化させるために（希薄または濃厚のいずれでも）理論値に比較的近く、すなわち比較的高温でかつ安定性が高い。ＮＯｘの発生は高温に関連するので、（燃料の大部分が流れる）低温の中間領域はＮＯｘが比較的低い。内側領域および外側領域は、総燃料（および／または空気）の流れの比較的少ない部分を含むので、これらの領域における（燃料および空気の総量が同じでかつ均一な分布に比べて）ＮＯｘの増加は（あったとしても）相殺される。異なる燃焼器構造および動作条件に対して、高温領域および低温領域の他の組合せ、およびその絶対的および相対的な燃空比を少なくとも一時的に使用することもできる。
【００１９】
１．０気圧の空気中におけるメタン燃料の例示的な燃焼では、濃厚な場合には約１．６以上、希薄な場合には約０．５以下の当量比でなければ火炎が不安定になるおそれがある。比較的低温の領域は、この範囲（より狭くは０．１〜０．５または１．６〜５．０）で動作可能である。比較的高温の領域は、０．５〜１．６で（より狭くは０．５〜０．８または１．３〜１．６、さらに狭くは０．５〜０．６または１．５〜１．６で、高い火炎温度を避けてＮＯｘの形成を減少させるために理論値から離れて）動作可能である。他の燃料および圧力は、他の範囲と関連づけることができる。
【００２０】
本発明の１つまたは複数の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の変更が可能である。例えば、既存の噴射器の再設計として実施される場合には、既存の噴射器または関連する燃焼器の詳細によって特定の実施例の詳細が影響を受ける。より複雑な構造および追加の要素を提供することもできる。所定の通路内に複数の異なるベーン構造を設けることもできる。非円形の同心状流路および他の流路構造も可能である。缶形燃焼器に関して説明したが、環状燃焼器を含む他の燃焼器構造も可能である。よって、請求の範囲には他の実施例も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスタービンエンジンの燃焼器の部分断面図である。
【図２】図１の燃焼器の噴射器の下流端部の部分説明図である。
【図３】図２の噴射器の本体の３−３線に沿った部分断面図である。
【図４】図２の噴射器の本体の４−４線に沿った部分断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
３４Ａ〜３４Ｃ…通路
３５…センタボディ
３６…ベーン
３８…前縁
４４Ａ〜４４Ｄ…プレナム
４６…出口通路
５００…中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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